山高：通过十个简单的步骤实现最高的性能和生产率
2017-1-5 来源：山高 作者：山高刀具集团技术培训经理 Patrick
上海, 2017 年 01 月 - 所有加工车间都面临着同一项任务，那就是将原材料转化为成品工件。加工出来的产品必须具备指定的质量水平、达到所需的数量并在所要求的期限内交货。与此同时，还必须解决可持续性问题和环境问题。为了保持竞争力和盈利，车间在不断寻求以最经济、高效的方式完成自己的任务。
时至今日，为了追求工艺改进而付出的这些努力的最佳范例是一场在欧洲被称为“工业 4.0”的运动，这场运动利用战略和策略将先进的数据采集、存储和共享技术整合到制造流程中。工业 4.0 目前处于这场制造业革命的顶端，并需要管理层的强力支持、专业人员的参与以及巨大的投资才能得以实现。
图 1：后续步骤 - 全面一体化的生产模型
不幸的是，如果车间缺少像通用电气或通用汽车这样的全球性工业巨人的广泛资源，在提高生产率方面可能就会欲振乏力。不过，一些极具成本效益的简单分析和举措能够对中小型企业的生产率产生相当大的积极影响。事实上，在投资于新的计算机、机械手或员工之前，任何车间无论其规模如何，都应执行基本的工艺分析并组织好现有的设备和实践方法。事实是，组织混乱的车间即使实现了计算机化，最终也只会陷入计算机化了的混乱局面。
三个阶段和十个简单步骤
要对车间的实践方法进行组织，首先需要分三阶段对生产过程执行审查。第一阶段是选择阶段，需要选择切削策略、刀具和切削条件。下一个阶段是整合阶段，也就是将所选的刀具和策略全部整合到加工工艺中。第三阶段是实现，用于将工艺付诸实施。
在大多数情况下，第三阶段的结果达不到预期，而且需要采用某些措施，从而根据实际情况进行削足适履，获得可接受的成果。这些措施可能是技术性质的，例如设法减小切削力，也可能是经济层面的，包括旨在降低成本的那些举措。幸运的是，车间可以通过十个简单的步骤分析和改进自己的金属加工工艺。这些步骤如下所示。
智能化预算控制
金属加工的常用预算方法是以尽可能低的价格采购所有加工要素，但在选择刀具时最好不要仅仅着眼于价格。在讨价还价之前，车间应当考虑需要取得什么样的最终结果。如果目的是获得公差严密、质量一流的工件，则需要使用价格更高的精密刀具来进行加工。
图 2：不同的刀具选择标准
寄希望于利用廉价刀具加工出优质的零件时，往往会得到不合格的零件，而且其花费还要超过高价刀具的费用。另一方面，当质量要求不太严格时，高精度刀具的一些功能会得不到用武之地。了解流程的最终目标是做出极具经济效益的采购决策的第一步。
智能化约束处理
与所探讨的金属加工理论形成对照的真实金属加工会受到一些实际约束，包括机床功率和稳定性以及客户对于尺寸和表面粗糙度质量的需求。切削条件千差万别，而参数的各种组合对切削力和表面粗糙度产生的影响可能会导致用户无法作出某些选择。
图 3：用于选择切削条件的两步模型
尽管如此，为了突破工艺约束，仅仅全面减小切削参数并非是明智之举。例如，与更改进给量相比，更改切深对机床功耗产生的影响更大。在减小切深的同时增大进给量可以在机床功率有限的约束条件下提高生产率。
刀具应用合理化
鉴于可用的刀具槽型、尺寸和材料浩如烟海，因此可以选择的金属加工刀具配置实际上也是数不胜数。机床车间通常每次只为一种加工选择刀具应用，也就是选择一种特定的刀具在零件上加工出一种特定的特征，然后再选择另一种刀具以加工出另一种不同的特征。
图 4：全部刀具产品浩如烟海 - 合理化是关键所在
例如，使用两个单独的刀具来车削轴并加工出一个具有两个方肩的宽槽。具体而言，使用其中一个刀具将轴车削到所需的直径并切削一个方肩以及槽的宽度，然后使用第二个刀具切削另一个方肩。每个刀具都经过单独编程和优化，因此产生了各自的编程和管理成本。
另一个形成鲜明对比的刀具选择策略是开发高度专业化的能够在一次加工中产生多个特征的定制刀具。这种策略非常便捷，但设计和制造专用刀具需要付出不菲的代价。
介于这两种极端情况之间的方法是利用能够执行一种以上的加工的标准刀具（多向刀具）。山高的 MDT刀具就是这种方法的一个完美范例。
这款刀具的特性使它能够车削直径、通过插铣加工出一个方肩、在轴上移动以进行切槽，然后撤刀以加工出第二个方肩。即使这样的多向刀具并不使用两个单独刀具的最佳切削参数进行加工，在刀具、编程、换刀时间和库存成本方面实现的节约也会使其成为首选的刀具。
复杂的工件加工方法（组合技术）
与使用可执行两种或更多加工的刀具相比，车间可以采用的另一种不相上下的方法是选择能够在多种工件上加工出相似特征的刀具。车间可以加工各种不同的工件，但这些工件具有相同的特征，例如孔、槽和铣削表面。为了加快复杂零件的加工速度，车间可以将相似的特征视为一组特征，然后选择一种针对在不同的零件上重复进行的特定加工（例如孔加工）进行了优化的刀具。这种经过优化的刀具不但能够实现最高的效率，还由于无需为每个单独零件的刀具进行重复性编程而节约了工程时间并因此降低了成本。这种组合技术方法还有助于减少刀具库存。
获得质量最低但功能合格的工件
尽管这一概念乍看之下非常奇怪，但车间必须认识到，工件质量应在满足客户规格和功能要求的情况下尽可能得低，并不需要超额满足这些要求。如果某个零件的公差为 5 微米，那么实现 3 微米的公差就是在浪费时间和金钱。要实现更紧密的公差，需要使用质量更高的刀具和更加精密的加工工艺。但客户不会为他们要求之外的这些更高质量慷慨解囊，因此这项工作对于车间来说就是一笔赔钱买卖。
图 5：成品工件的整体质量会受多种因素的影响
很明显，有些质量问题（例如毛刺）是必须解决的问题。但在某些情况下，少量的支出并不值得计较 - 与刀具将要加工的大型钛合金航空航天部件的高昂价值相比，区区几欧元或几欧分的刀具成本差异是微不足道的。为了实现最高的成本效益，车间应当根据工件的功能和质量要求定制生产质量。
预测性刀具维护
传统的刀具维护是按兵来将挡、水来土掩的思路进行的。出现磨损或发生断裂的刀具将被更换。但除了刀具自身的成本以外，这种方法还会产生其他成本，包括制造工艺的停机时间和可能的工件损坏。而预防性刀具维护是一种超越了被动式维护的措施。
图 6：切削刀具由于遇到不同的现象而出现磨损
即使是相同的刀具，其有效寿命通常也会比平均使用寿命或长或短。预防性刀具维护基于这样一种理念：在刀具达到其最短预期使用寿命之前将其更换，以确保在刀具磨损过多甚至断裂之前予以更换。但这种方法会导致使用寿命能够达到甚至超过平均寿命的刀具无法物尽其用。
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一种相对较新的基于刀具寿命建模的方法借助计算机计算和模拟来提供预测性的刀具损耗数据并指出应当何时更换刀具。尽管花费要更高一些，但可以利用传感器来实时跟踪刀具的磨损情况，从而进一步完善结果。通过利用预测性刀具维护，有望将刀具成本降低 15%、20% 甚至更多。
刀具库存控制
当进行金属加工的第二个阶段“整合”时，一定要注意，刀具库存控制不同于刀具管理。刀具管理是指整理现有的刀具库存并使刀具能够投入到生产环节。为此，可以使用多种自动化的刀具管理系统。而另一方面，刀具库存控制是指设法合理确定和统计车间为了侧重于真正需要进行的加工而拥有的刀具数量。如果在将刀具装载到自动化的刀具分配装置中之前没有合理确定刀具数量，最终只会陷入自动化的混乱局面。
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实际工作分析
美国工程师兼工作分析先锋 Fredrick Winslow Taylor 在其于 1907 年出版的《金属切削艺术》(On the Art ofCutting Metals) 一书中指出，在车间中进行的某些活动，例如表面铣削，确实为工件创造了价值。但他也指出，另一方面，生产成品工件时需要开展的很多活动并不会直接创造价值。这些活动包括将工件固定在机床上、编写加工程序等等。
Taylor 称，不创造价值的任务应当尽快完成，而且应当最大限度减小这些任务对总生产成本的影响。通过自动化，可以完成零件装载和固定等任务并节省时间和金钱。
图 7：可以通过不同的方式实现生产率和成本效益
制造商通常认为缩短加工时间的最佳方法是提高加工参数。大多数车间都没有充分认识到工程设计等活动所消耗的时间。在零件从图纸到交付的这一过程中，工程设计这项任务可能占据了总耗时的 40% 之多。刀具故障、质量问题或切屑控制问题所产生的意外停机时间也可能被忽视了。当分析工作活动和成本时，必须考虑到零件生产时间所涉及的全部因素。（参见附注）
优化的实际应用
零件金属加工的第三阶段是实现阶段，在此阶段会将在第一阶段选择并在第二阶段整合的刀具和策略付诸实施。流程几乎从不严格按计划的方式运转，因此就需要在这一阶段对加工的速度、可靠性和其他因素进行优化。此外，大多数车间还会寻求改进现有的流程。执行了第一阶段和第二阶段的组织和合理化步骤之后，通过进行实际优化，进给量、速度和切深组合会产生所需的结果，车间因此而获得技术和经济效益。
明智地引进新技术
如今的制造商面临着很多相对较新的挑战，包括对于可持续性和环境保护的强制要求。通过明智地引进新的技术和工艺，车间能够战胜这些挑战。例如，工厂可以利用干式加工来减少冷却剂的使用量，从而减少油液可能对环境产生的影响以及为了安全处理油液而产生的费用。增加无铅工件材料的使用量旨在清除环境中的有害金属。改善工艺参数和生产刀具性能可以显著降低能耗。
图 8：加工工艺的发展
结论：第 4 阶段和 STEP 培训
当各种规模的制造商利用这十个简单的步骤改进自身的加工时，生产工艺的第四阶段需要持续开展内部培训。
这一培训的目标是确保车间的工作人员认识到，用于解决生产率问题的解决方案不一定都需要投入大量的资金、高科技和更多的人力。
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可以反复运用在改进个别加工或多种加工时获得的经验教训，也可以扩充这些经验教训以涵盖整个车间的类似情况。可以使用系统性的培训（例如山高技术培训计划 [STEP]，它是一个成熟且实用的用于帮助用户熟悉最新刀具系统和技术的课程）对这些经验教训进行补充。通过与工艺分析和改进方面的实践经验相结合，培训可对客户产生重大的影响，帮助打造一种能够解决问题和改进工艺以使制造业务持续取得成功的文化。
图 9：全部 STEP 培训
跟踪隐性成本
当执行实际工作分析时，成本可能是显而易见的，也可能非常隐蔽或者被忽视。在将原材料转化成成品工件期间，影响总成本的因素通常可以分为八个类别。这些类别包括刀具和刀具系统、工件材料、工艺和工艺数据、人员和组织、维护工作、特殊因素、周边设备以及各种随机因素。
加工时间是最明显的成本因素，它包括加工时间以及在设置机床和刀具、搬运工件和执行质量检查时花费的时间。很明显，设置和搬运工件时花费的时间需要算在计划的停机时间内，但加工时间中的一个不太明显的部分是由于刀具意外损耗、切屑问题和质量不稳定而造成的工作意外停止。
那些生产出质量欠佳或不合格零件的不可靠的加工工艺、破损的刀具、损坏的工件以及系统问题都会无谓地导致加工时间变长、成本增加。与操作员犯下的错误和系统发生的异常所贡献的时间相比，常见因素（例如加工时间和计划内的刀具更换）在总加工时间中所占的比例较低。
在计算总生产时间中，通常会忽视工程设计—包括常规活动、几何活动（编程）和技术活动（选择刀具和加工参数）—所贡献的时间。零件编程在工程设计时间中占据了很大一部分，但技术问题（例如选择刀具和选择加工参数）也涉及了大量的工程设计活动。
此图（PDF 中的幻灯片 3）显示了加工时间和成本之间的关联，垂直轴显示的是成本，水平轴显示的是使用的时间。八个因素组使用不同的颜色，浅蓝色代表刀具系统，浅黄色代表工件材料，浅橙色代表工艺和工艺时间，依此类推。在这个简化的一般性示例中，单个工件的预计生产成本被设置为 1.0，基准时间为零。此图表明，刀具成本的八个因素所消耗的总时间比计划的时间多出了80%，并导致最终的成本达到了预期成本的 3.5 倍。
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